冬季用太阳能取暖不鸡肋!“光伏 + 热泵” 新组合,省电还稳当

三棱柱的内部,跟光伏板平行的地方装了两排铝板,铝板上绕了风冷式的蒸发盘管,这俩凑一起就是咱们熟悉的翅片式换热器,能跟空气换热。侧面还装了风机,风一吹,换热效果能更好。

系统里用的制冷剂是 R410A,压缩机型号是 QXA-A091z E190,功率 980W,单缸,适用的频率在 15 到 120 赫兹之间,能适应不同的工况。

它的工作逻辑特别灵活,白天有太阳的时候,光伏板既能发电又会发热,温度比周围空气高。这时候就用 PVT 蒸发盘管,能把热泵的蒸发温度提上去,让热泵更省电。到了晚上,光伏板没太阳晒,还会跟低温的天空换热,温度降得很低。这时候要是还用 PVT 盘管,蒸发温度会掉下来,管子甚至可能结霜、没法工作。所以晚上就切换到风冷式蒸发盘管,保证系统能稳定运行。

三、实测 + 模拟:冬天用着到底怎么样?

为了搞清楚这个系统冬天的表现,团队既做了实际测试,又用 EES 热力学软件做了模拟分析,还跟普通的风冷热泵比了比,结果很直观。

先看实际测试的情况。测试的时候,太阳光照强度大概 100 瓦每平方米,制冷剂每秒的流量稳定在 0.015 公斤。当室外温度最高到 17.5℃的时候,光伏板背板的温度能达到 10℃。而室外温度在 16 到 17.5℃之间波动时,风冷翅片的温度大概在 7℃左右,光伏板背板的温度大概在 8℃左右。

那段时间里,这个 PVT 热泵的蒸发温度在 0 到 1℃之间,比普通风冷热泵高 1 到 3℃。它的能效比(COP,简单说就是输出的热量和消耗的电量的比值)在 3.4 到 3.6 之间,比普通风冷热泵提高了 6.3% 到 12.5%,省电能效这块一眼就能看出差别。

再看模拟分析的结果,主要看三个关键因素:太阳光照强度、室外空气温度、冷凝温度。

第一个是太阳光照强度的影响。模拟结果很明显,太阳光照越强,这个 PVT 热泵的蒸发温度和 COP 就越高。比如室外温度 0℃的时候,光照 200 瓦每平方米,蒸发温度是 - 15.3℃,COP3.1;光照升到 400 瓦每平方米,蒸发温度变成 - 11.8℃,COP3.5;光照到 600 瓦每平方米,蒸发温度 - 8.3℃,COP3.9。而同样的工况下,普通风冷热泵的蒸发温度一直是 - 15℃,COP 也固定在 2.9,完全没变化。所以太阳越给力,这个 PVT 系统的优势越明显。

第二个是室外空气温度和冷凝温度的影响。冷凝温度就是制冷剂在冷凝器里液化的温度,这个温度越低,热泵越省电。比如室外温度 0℃、光照 500 瓦每平方米、制冷剂流量还是 0.015 公斤 / 秒的时候,冷凝温度 55℃,COP4.1;冷凝温度 60℃,COP3.7;冷凝温度 65℃,COP 就降到 3.3 了。

室外温度的影响也很直接,温度越高,COP 越高。比如冷凝温度固定在 60℃,室外温度从 - 5℃升到 15℃,PVT 热泵的 COP 能从 3.4 涨到 5.0。而且在这两个温度下,它的 COP 分别比普通风冷热泵高 25.9% 和 35.1%,差距很明显。

四、跟普通风冷热泵比,优势能落地吗?

光看趋势不够,得看具体工况下的实际差距。团队选了一个很典型的情况:室外温度 0℃、太阳光照 500 瓦每平方米、制冷剂每秒流 0.015 公斤。

在这个工况下,PVT 热泵的蒸发温度比普通风冷热泵提高了 5℃,蒸发压力也高了 92.1 千帕,蒸发器出口的制冷剂焓值是 419.03 千焦 / 公斤。

当然它也有一点小不足:制热量比普通风冷热泵少了 86 瓦。但优势更突出 —— 光伏板能发 165 瓦的电,而且系统的耗电量比普通风冷热泵少了 279 瓦。算下来,PVT 热泵的 COP 是 3.7,比普通风冷热泵的 COP 提高了 27.6%。

综合所有测试和模拟的数据来看,当太阳光照强度在 100 到 500 瓦每平方米、室外温度 - 5 到 15℃、冷凝温度 55 到 65℃之间的时候,这个 PVT 热泵比普通风冷热泵的蒸发温度能提高 - 2.7 到 7.1℃(负的数值就是光照特别弱的时候,蒸发温度比风冷略低,但大部分时候是正的),光伏板的发电量在 26.5 到 183.6 瓦之间,系统耗电量能省 26.7 到 288.6 瓦,COP 能提高 - 0.6% 到 38.8%。

尤其要提的是,太阳光照强的时候,这个系统 “又发电又供热” 的效果特别显著。不像单纯的光伏板,发了电就没法供热;也不像单纯的热泵,只能供热没法发电。它把两者的优势捏到了一起,还补了各自的短板,冬天用着既稳当又省电。

如果你正在考虑冬天用太阳能取暖,又担心 “看天吃饭” 不靠谱,这个复合型 PVT 热泵系统可以多留意。它不用你额外折腾复杂的设备,就是在现有光伏和热泵的基础上做了个 “组合优化”,但实际用下来的效果,比单独用任何一个都强。

《国家能源集团光伏项目通用造价指标.pdf》

电子书共66页,页数太多不在一一叙述,如需全文请咨询

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